VARCO頂驅旋轉頭結構及常見故障探析

王加松

(中石油川慶鉆探厄瓜多爾分公司，四川 成都 610051)

0 引言

川慶鉆探厄瓜多爾分公司每年都存在由于頂驅旋轉頭故障導致的設備等停，不僅造成了較大的經濟損失，還對分公司產生了負面的影響。目前厄分公司擁有頂驅9臺，皆為VARCO公司生產的TDS-11SA頂驅，為此本文以VARCO的TDS-11SA頂驅為例，從旋轉頭結構及其工作原理入手，對常見故障進行探析。

1 旋轉頭機械結構及工作原理

1.1 旋轉頭機械結構

頂驅旋轉頭機械結構主要由旋轉頭適配器、旋轉頭內筒和齒輪盤等部件組成，如圖1所示。齒輪盤與旋轉頭適配器通過螺栓相連，旋轉頭內筒通過螺栓固定在上部齒輪箱上，當液壓馬達驅動齒輪盤轉動時，可實現旋轉頭適配器圍繞旋轉頭內筒360°雙向轉動。旋轉頭適配器與旋轉頭內筒間還有2只耐磨扶正環和1只止推環，旋轉時起著機械防磨的作用，分別通過適配器內的上、下兩個黃油通道進行潤滑，其中上面的黃油通道內設有黃油油腔和黃油泄壓閥。

1.2 旋轉油道

旋轉頭適配器內表面位于上下2只耐磨扶正環之間，還均勻分布有10道密封槽，每道密封槽各安裝1只旋轉密封，旋轉頭適配器內表面、旋轉頭內筒外表面及相鄰的2道密封之間共同組成一環形封閉腔，即旋轉油腔，共計9只,其中單個旋轉油道結構示意圖如圖2所示。在旋轉頭內筒外表面上端有一圈管線接頭，分別為L、H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，其中L為懸浮油道接頭，其余9只為旋轉油道進油接頭，E5和G5為背鉗系統進油和回油油道；A4和B4為上內防噴進油和回油油道；B8、E6和G6為傾斜系統油道；最上面的J和最下面H為兩只備用油道。在旋轉頭內筒壁厚中沿周向有10條不同深度的軸向油道，在內筒外表面下端對應有10個出油孔，上端的油管線接頭、軸向油道與下端的出油孔一一對應，液壓油從旋轉頭內筒外表面上端的管線接頭流入這10條軸向油道，又從下端對應的10個出油孔流出。油液從出油孔流出后，其中9條分別流向相對應的1只旋轉油腔，在液壓油流進旋轉油腔內后，再經過適配器內部油道流至其外表面出口接頭。在適配器外表面分布著與上端9只旋轉油道進油接頭對應的旋轉油道出口接頭，即H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，液壓油走向如圖2中a→b→c→d所示，最后從適配器外表面出口接頭流出的液壓油通過液壓管線連接到相應執行機構，液壓油路得以形成，實現傾斜、懸浮、上內防噴開/關以及背鉗松/緊等功能。

圖1 旋轉頭機械結構示意圖

1.3 懸浮油道L

除了9只旋轉油腔外，還有1只懸浮油腔，即由旋轉頭內筒、旋轉頭適配器、活塞環、卡簧、齒輪盤及密封件組成的密閉環形空間，如圖3所示。液壓油通過懸浮油道接頭L、內筒壁厚內軸向油道及出油孔流向懸浮油腔，油路走向如圖3中a1→b1→c1→d1所示。油腔內產生豎直方向的作用力，由于活塞環是通過熱工藝固定在旋轉頭內筒安裝槽中的，因此齒輪盤在懸浮油腔壓力油的作用下，帶動旋轉頭適配器一起上移，直到止推環與內筒下端面產生機械觸碰，上移運動停止，上移行程大概為1 cm，液壓懸浮功能完成，此時旋轉頭適配器與主軸承載環得以脫離，并實現相對旋轉。

圖2 單個旋轉油道結構示意圖

圖3 懸浮油道L結構示意圖

通過計算和現場試驗，懸浮時旋轉頭適配器承受的向上液壓浮力為5 t，除去齒輪盤、旋轉頭適配器及吊環等重量后，實際還可承受2.5 t的鉆具重量，當鉆具重量超過2.5 t，懸浮位移變小，旋轉頭適配器和主軸承載環不能完全脫離，此時禁止轉動旋轉頭。

2 常見故障分析

2.1 旋轉頭漏油

2.1.1 旋轉油腔密封損壞

10只旋轉密封中，如果最下端的密封損壞，會導致旋轉頭下方主軸承載環與適配器接合處有液壓油；如果中間的密封損壞，可能引起相鄰旋轉油腔串油，導致液壓功能錯亂，當發生某只旋轉密封失效后，應及時啟用備用H或者J油道，防止事態進一步擴大。

2.1.2 懸浮油腔密封失效

懸浮油腔中齒輪盤與適配器之間的密封失效，會造成液壓油從齒輪盤下表面滲漏出；齒輪盤的內密封失效，會造成液壓油從齒輪盤上表面滲漏出；活塞環與內筒之間密封或者與適配器之間的密封失效，則會造成液壓油滲漏至活塞環下面的黃油腔，并從黃油泄壓閥處滲漏出。

2.2 旋轉頭轉動卡頓

2.2.1 液壓馬達輸出壓力異常

旋轉頭的旋轉運動是靠液壓馬達來驅動的，如果液壓馬達輸出壓力不穩定，則會造成旋轉頭轉動卡頓。液壓馬達的正常壓力值為正轉A口：11.7 MPa，反轉B口：11.7 MPa，若壓力不在標準值內，可通過調節A/B口旁邊的溢流閥來進行調整；此外，還需檢查液壓馬達與齒輪箱之間的固定螺栓有無松動或安裝扭矩是否符合安裝標準，這些均會導致馬達壓力輸出不穩定。

2.2.2 旋轉頭懸浮位移過大

如前文所述，止推環不僅可以機械防磨，當懸浮作業時，還可以用于限制其懸浮位移。當旋轉頭受到外界沖擊力時，比如溜鉆、頓鉆，以及震擊等作業時，該止推環可能會損壞，造成旋轉頭懸浮位移過大，進而造成齒輪盤與鎖銷產生干涉，發生卡頓現象。

2.3 旋轉頭適配器隨主軸轉動

在懸浮狀態下旋轉頭適配器與主軸承載環是脫開的，如果沒有脫開，即懸浮位移過小或沒有懸浮，適配器與承載環接觸并產生摩擦力，通過摩擦力，旋轉頭適配器隨主軸一起轉動，造成原因主要有兩種：①如果懸浮油腔密封失效，或者是系統壓力低于標準2 000 PSI(1 PSI=6.89 kPa,2 000 PSI=13.78 MPa)，都會造成懸浮油腔油壓低，懸浮位移變??；②如果上部黃油嘴注入黃油非常多或者泄壓閥堵塞，油腔內黃油使得旋轉頭適配器向下運動，也會導致懸浮位移變小。

3 建議及措施

3.1 升級和改造

(1) 由于旋轉頭旋轉時，懸浮產生的載荷由活塞環下面的卡簧承擔。VARCO公司設計的旋轉頭卡簧較薄，承載力較低，經常會發生卡簧斷裂的情況，當卡簧斷裂后會導致活塞環錯位，接著發生活塞環密封(懸浮油腔密封)失效。為了減少旋轉頭懸浮油腔故障，在符合旋轉頭懸浮和承載條件的前提下，建議對卡簧厚度進行合理升級。

(2) 旋轉頭內筒上的通道L為懸浮油腔進油和回油的唯一通道，孔徑偏小，回油速度過慢，當遇到外界瞬間沖擊力時，可能導致懸浮油腔受損，建議對孔徑進行適當擴大。

3.2 規范操作杜絕違章作業

(1) 在起下鉆過程中，尤其當吊卡掛鉆具瞬間，游車須緩慢提升，以避免提升過快對旋轉頭內部懸浮油腔產生過大沖擊；另外在必須進行震擊作業時，建議旁置頂驅，以減小對旋轉頭的破壞。

(2) 在頂驅旋轉頭吊環下懸掛大于2.5 t重物時，禁止轉動旋轉頭。作業過程中，若井下鉆具的反扭矩在起鉆開始時沒有釋放完，則上提鉆具時會引起旋轉頭在帶重負荷時被動旋轉。所以必須正確釋放反扭距，制定在扭矩比較高的井段，轉盤轉動之后要及時地釋放鉆具的反扭矩措施，采取倒轉轉盤到一定角度、多次活動轉盤慣剎用以消除井下鉆具的反扭矩。

3.3 做好頂驅的預維護工作

根據VARCO頂驅使用手冊和現場實際情況，旋轉頭應定期進行檢維修，正常旋轉頭密封件使用周期應不超過1年，超期限使用時，旋轉頭漏油滲油故障率將會大大增加。

4 結論

頂驅旋轉頭是否正常穩定工作對現場鉆井作業影響巨大，現場設備人員和操作人員須對旋轉頭結構及其工作原理有足夠的了解，熟悉常見故障，正確保養、規范操作，方可大大提升故障排查效率，降低設備故障，提高設備完好率。